Команда специалистов из Медицинского колледжа Бейлора, Райс-Университета, Техасской детской больницы, Массачусетского технологического института и Гарварда разработала новый способ геномного секвенирования, который может собирать геном организма с нуля значительно дешевле и быстрее. Технология секвенирования, применяемая в настоящее время, по понятным причинам получила название «геном за 1000 долларов». Задача создания эталонного генома с нуля — это совершенно другой вопрос. Например, первоначальный проект генома человека занял 10 лет и стоил 4 млрд долларов. Возможность быстро и легко разработать эталонный геном с нуля может открыть дверь для создания эталонных геномов для всего, начиная от пациентов и заканчивая опухолями, причём для всех видов на Земле. Сегодня мультиинституциональная команда сообщает о методе — сборке 3D-геномов, который может создать человеческий контрольный геном полностью с нуля за менее чем 10 000 долларов. Исследование опубликовано в жернале Science.
Чтобы проиллюстрировать силу сборки 3D-генома, исследователи собрали 1,2-миллиардный буквенный геном комара Aedes aegypti, который является переносчиком вируса Зика, производя первый комплексный набор каждой из трёх его хромосом. Новый геном позволит учёным эффективнее бороться с эпидемией вируса Зика, выявляя «слабые места» комара.
Геном человека представляет собой последовательность из 6 млрд химических букв, называемых парами оснований, разделённых на 23 пары хромосом. Несмотря на снижение стоимости секвенирования ДНК, определение последовательности каждой хромосомы с нуля — процесс, называемый геномной сборкой de novo, остаётся чрезвычайно дорогостоящим, поскольку хромосомы могут достигать сотен миллионов пар оснований в длину. Напротив, сегодняшние недорогие технологии секвенирования ДНК производят короткие считывания фрагментов ДНК из сотен пар оснований, которые предназначены для сравнения с существующим эталонным геномом. Фактически генерация эталонного генома и сборка всех этих длинных хромосом включает в себя объединение множества различных технологий ценой в сотни тысяч долларов. В процессе диагностики одного человека используется эталонный геном, полученный от другого человека, что не слишком хорошо, поскольку геномы людей различны.
«Как врачи, мы иногда сталкиваемся с пациентами, которые определённо несут некие генетические изменения, но мы не можем их идентифицировать», говорит доктор Авива Прессер Айден, врач-учёный из Техасской детской больницы и соавтор нового исследования. «Чтобы понять, что происходит, нам нужны технологии, которые могут позволить оценить полный геном пациента. Но мы также не можем позволить себе тратить миллионы долларов на геном каждого пациента».
Чтобы решить эту проблему, команда разработала новый подход, называемый 3D-сборкой, который определяет последовательность оснований в каждой хромосоме.
«Наш метод существенно отличается от традиционной сборки генома», говорит Ольга Дудченко, научный сотрудник Центра генных наук при медицинском колледже Бейлора. «Несколько лет назад наша команда разработала экспериментальный подход, который позволяет нам определить, как человеческий 2-метровый геном складывается, чтобы вписаться в ядро человеческой клетки. Карты прослеживают очертания генома, когда он складывается внутри ядра. Они могут также вести нас через саму последовательность».
Тщательно просматривая геном, команда обнаружила, что они могут сшивать сотни миллионов коротких ДНК, читающих последовательности всех хромосом. Поскольку метод использует только короткие чтения, он резко снижает стоимость сборки генома de novo, которая, вероятно, ускорит использование геномов de novo в клинике. «Секвенирование генома пациента с нуля с использованием 3D-сборки настолько недорого, что сопоставимо по стоимости с МРТ», говорит Дудченко. «Создание генома de novo для отдельного пациента стало реальным».
De novo сборка генома пациента значительно отличается от генетических тестов, применяемых в настоящее время. «Наш новый метод не зависит от предыдущих знаний о видовых особенностях секвенируемого объекта», говорит Дудченко.
«Что угодно»,сказал д-р Эрез Либерман Айден, директор Центра геномной архитектуры в Бейлоре и соавтор новой работы. «Поскольку геном генерируется с нуля, 3D — это множество видов, от гризли-медведей до томатов».